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来源：《现代盐化工》2020年第05期
摘 要：作为锂电池实践与应用中的主要组成部分，锂电池的充电及保护方面的研究显得尤为重要。以单片机系统控制为主要切入点，并结合其在实际应用过程中的操作情况，探讨该项技术的应用价值。通过对现有的保护、充电技术进行分析和比较，设计出更具实际应用效果的锂电池充电及保护系统。以单片机为核心载体，满足锂电池组的短路保护等需求。在充电过程中，还可借助单片机来确保充电均衡，简化充电电源，使单片机系统性价比更高。
关键词：单片机系统；锂电池；充电及保护技术
锂电池作为新兴产品，相较于传统电池具有轻便、续航力持久、电率低和节能环保等多重优点[1]。为了贴合国家所倡导的绿环保发展理念，近年来锂电池得到了广泛的应用和快速的推广。除了在原有的电力储能行业发光发热以外，在移动通信、交通动力和新能源储备等系统中也得到了广泛的应用，因此，如何提升锂电池的充电及保护技术也受到了越来越多的关注，
运用单片机系统提升保护力的技术也越发完善。本研究以单片机系统的应用为出发点，对充电保护系统进行进一步的研究与阐述。
1 应用单片机系统完成锂电池充电及保护的优势
单片机系统下的锂电池技术主要分为充电和保护两个方面[2]。在充电过程中，惯常应用的是先恒流后恒压的策略，以电路为参考点，可以应用多电路并联和单路电流搭配均衡电路两种方式来充电，实际测验可以得知，这两种充电方式各有利弊[3]。单路电流搭配均衡电路的充电方式效率更高，但需要投入的成本较高，而多电路并联的充电方式虽然资金投入较少，但在由恒流向恒压转变的过程中所处的聚恒电路不能关闭，造成电流持续处于流通的状态，在电压数值为4.2 V时，电路中的电流较大，最终会导致充电效率过低的现象出现。锂电池的保护方法更具多样性，分别为单片机控制、锂电池管理芯片控制和分立元件控制3种方法[4]，其具体比较如表1所示。 從表1中可以得知，采用单片机系统控制锂电池的保护方法，具有操作复杂程度低、投入成本低、产生能耗较小等优点。以Microchip生产的单片微型计算机（Peripheral Interface Controller，PIC）为例，当其晶振频率数值为32 kHz时，其产生的电量损耗仅为几十微安，不使用时可以将其设定为休眠状态，此时产生的能耗更少，其能耗率与锂电池管理芯片相比也毫不逊。
先恒流再恒压是锂电池应用较多的充电方法，当电路中所剩电流降低到既定数值后，可关闭电源。常用的两种充电电路在使用过程中也有细微的差异，原因主要有以下两点：（1）均衡电路并未满足线性放电的操作要求。在充电过程中，当单体电池的电压数值达到4.2 V时，对应的均衡电路中的放电电流数值也较低，再慢慢由小转大。鉴于均衡电路多数采用开关型的控制方式，一旦电压达到4.2 V，该电路就会完全处于导通的状态，相应的放电电流也会很大。对于单体电池，在完成由恒流向恒压的转换时，电流突然下降，对其完全充电有较大影响，容易造成充电效率下降。（2）当电池组处于恒压状态时，均衡电路并不能全部关闭，导致小部分电流持续地在电路中流通，也容易导致充电效率下降。
借助单片机系统，除了可以对锂电池进行保护，在充电过程中，还可以通过操控均衡电
路，在单体电池数值达到4.2 V时，完成脉冲式放电。在锂电池组完成恒流向恒压的过渡后，还可以将均衡电路完全关闭，确保锂电池处于恒压充电模式。因此，可以充分利用单片机的这些优点，解决以往锂电池充电及保护过程中所遇到的问题。
2 单片机系统的工作及运行原理
该系统通常由两部分构成：（1）由锂电池与保护电路构成的部分；（2）由充电和均衡电路构成的另一个部分，只在充电的时候才会使用，其具体系统运行原理和主供电回路数据如下：电源输出功率为+48 V，选用容器网络接口（Container Network Interface，CNI）作为连接器接电池组，正沟道金属氧化物半导体（Positive channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）管作为电源调整管，接受脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制，在使用时可以起到调整锂电池充电电流的作用。锂电池组的负端接口处配备了两个额外电阻，充电时产生的电流可以以这两个电阻为导体产生所需要的电压，再经由放大路传输进单片机系统中配备的模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）电路。与此同时，单粒电池组产生的电压也从同样的路径传送进ADC电路，并通过单片机系统的监控设备来完成对电流和电压的实时监管。
在本研究提到的系统中，如果锂电池为单组，那么恒流充电电流为3.0 A，截止电压为4.2 V，保护电路中最小放电压为3.0 V，最大输出电流为24.0 A。以电动车的电池组为例，通常是由10个电池组串联而成，可承受的最大充电电压为42.0 V，放电电压的既定数值为30.0 V。具体运行原理为：锂电池组在外部交流电源上充电时，充电线路会发送相应的电源正常（Power Good，PG）信号，再传送给单片机，由控制系统掌控后开始为锂电池充电，并对电压和电流进行严格把控。
在充电的初始阶段电压数值都相对过低，单片机系统需要对充电电路进行把控，使其处于恒流状态，直到充电结束。单片机系统通过将充电电流转化为电压信号的方式来启动ADC电路，由于锂电池组采用的都是串联的方式，并不会出现单体电池较常出现的电压不均衡的问题。与此同时，单片机对电流和电压的检测功能也十分重要，当检测数值接近或达到4.2 V时，也就是处于所谓的“满电”状态，系统会自动向电路传送地址码，均衡电路借助该地址码输出相应的控制信号，以此完成均衡电路的打开工作。如若数值没有达到4.2 V，锂电池两侧的均衡电路则保持关闭的状态，仍然进行充电工作，可有效提升充电效率。
3 单片机系统电路的设计思路
3.1 单片机系统控制电路的设计
本研究提到的单片机系统所使用的单片机元件是由Microchip公司投产的PIC16F72型号。该型号的单片机是由5路A/D和模拟开关组成的，可以借助5路A/D完成不同電池电压的取样工作，仅需要3个计时器，就可以完成对锂电池组充电过程的检测工作，并完成脉冲式控制。如果电源的电压范围在2.0～5.5 V，则适合用于单电池组的充电和供电，所造成的能耗也极低，贴合当下社会绿环保的发展理念。鉴于锂电池如果在短时间内受到强大的电流冲击，容易产生电压跌落等问题，在程序设定上添加了关断次数字模块，用来应付突发状况，如果在充电过程中多次关断电压后仍不能解决电压跌落问题，则系统将直接关停MOSPET，直至锂电池组充满电为止。
3.2 均衡电路的具体设计方法
目前，较常使用的均衡电路都是由单个可控开关电路组组合而成的，在锂电池充电过程中，单片机系统会对所有单体电池所产生的电压进行检测，并根据检测结果输送一个十六位制数的地址码，充电器将其破译后，会相应地打开某个均衡电路，以此起到分流的作用。
3.3 开关电源的设计方法
本研究中的单片机系统所选用的开关电源是经过严格筛选的，由TOP250Y构建的单端正激电路，借由晶体管-晶体管逻辑电路（Transistor-Transistor Logic，TTL）平台传输PG，CV信号，为单片机系统检测提供保障。
4 单片机系统控制下提升系统运行效率的措施
上文对锂电池充电及保护技术在单片机系统中的应用原理进行了分析，从分析数据中可以看出，若想提升单片机系统的运行效率，关键在于电路的设计及控制。在电路控制方面，处于首要位置的是充电器的选择，应选择性价比相对较高的充电器。以电动车锂电池充电及保护技术的运用情况来看，选用的是PIC16F72型号，配备5个外部输入接口，可用的引脚多达33个，ADC也有10个，可以同时完成多个独立电池组的检测工作，可借用外部接口来完成对均衡电路和充电电路的控制工作。该单片机系统的内部存储空间达到8 K，可用来存储字节和数据，14位的指令码也是该型号单片机独有的特，所以，该单片机系统处理数据的能力更加强悍，可以充分满足锂电池的充电需要。此外，系统中融入了均衡电路模块，单片机将监测所得的数据以地址码的形式发送给充电器，再选取相应的均衡电路对过多的电流采取分流处理，以此来提升充电效率。系统中的开关电源在接收到PG信号时，可自动开启PMOS
管，完成对电池的充电工作，此管路受捕获-比较-脉宽调制（Capture Compare PWM，CCP）模块控制，根据接收信号的不同，对电池组采用不同的控制力度。
5 结语
单片机系统的开发和应用使锂电池充电及保护技术得到了有效的提升，借由先进的系统完成对锂电池的电路、过流等多重保护，以此达到均衡充电、提升充电效果的目的。经过简化和优化的电源，更可以提升单片机系统的整体性价比，通过调研结果可以得出该系统是具有实际推广意义的，可以在未来的使用过程中予以普及。
[参考文献]
[1] 刘晓.基于单片机控制的锂电池充电和保护系统研究[J].计算机产品与流通，2020（5）：125.
[2] 韩庆康，李军.基于锂电池荷电状态比例积分微分均衡控制[J].汽车工程师，2020（4）：35-39.
[3] 黄柯，专祥涛.基于最小能耗的一种锂电池充电策略[J].电源技术，2020，44（4）：541-544，612.
[4] 胡新福，张源峰，林金亮.一种锂电池组主动均衡充电保护电路的设计[J].电子制作，2018（23）：8-10.
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